Giải tích mạng - Chương 7: Tính toán ngắn mạch

GIẢI TÍCH MẠNG Trang 91 CHƯƠNG 7 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 7.1. GIỚI THIỆU. Tính toán ngắn mạch cho ta biết dòng và áp của hệ thống điện trong trạng thái sự cố. Việc tính toán giúp ta dự định cho hệ thống bảo vệ rơle tương ứng và xác định các giá trị cắt của máy cắt ứng với mỗi vị trí khác nhau. Hệ thống rơle phải nhận ra sự tồn tại của ngắn mạch và bắt đầu máy cắt tác động cắt sự cố dễ dàng. Sự tác động đòi hỏi phải đảm bảo độ tin cậy giới hạn sự thiệt hại cho thiết bị. Giá trị dòng và áp nhận được là kết quả của nhiều dạng ngắn mạch xảy ra riêng biệt tại nhiều vị trí trong hệ thống điện nên phải tính toán để cung cấp đủ dữ liệu có hiệu quả cho hệ thống rơle và máy cắt. Tương tự máy tính, các thông tin thu được ứng dụng vào các mục đích riêng biệt được gọi là giải tích mạng đã được dùng rộng rãi trong nghiên cứu ngắn mạch trước khi kỹ thuật số phát triển. M ...... M Tải LL2 L1 Hệ thống truyền tải Gn G2 G1 i p Epa,b,c Eia,b,c Hình 7.1 : Giới thiệu hệ thống điện dạng 3 pha Cấu trúc nút qui chiếu trong hình thức tổng dẫn là việc làm đầu tiên trong ứng dụng của máy tính số cho nghiên cứu ngắn mạch. Tương tự như phương pháp tính toán trào lưu công suất, dùng kỹ thuật lặp. Hoàn toàn lặp lại một cách đầy đủ ứng với mỗi dạng sự cố. Thủ tục chi tiết tốn nhiều thời gian, thường trong mỗi trường hợp, dòng và áp đòi hỏi cho một số lớn vị trí ngắn mạch. Vì vậy phương pháp này không được ứng dụng rộng rãi. Sự pháp triển của kỹ thuật với sự ứng dụng của máy tính số, hình thức ma trận tổng trở nút có thể tính toán được bằng cách dùng định lý Thevenin cho việc tính toán ngắn mạch. Phép tính gần đúng cung cấp giá trị trung bình cho dòng và áp lúc ngắn mạch, vì giá trị có thể thu được với vài phép toán số học theo sau chỉ liên hệ với ma trận tổng trở nút. GIẢI TÍCH MẠNG Trang 92 7.2. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH BẰNG CÁCH DÙNG MA TRẬN ZNÚT . 7.2.1. Mô tả hệ thống Mô tả hệ thống điện 3 pha trong trạng thái bình thường như hình 7.1. Trong trường hợp tổng quát đủ chính xác khi nghiên cứu ngắn mạch có thể thu được với sự trình bày đơn giản hóa. Miêu tả 3 pha đơn giản trong hình 7.2 và thu được bởi: Máy phát Hệ thống truyền tải i p e1a,b,c ena,b,c M M Epa,b,c Eia,b,c Hình 7.2 : Giới thiệu hệ thống điện dạng 3 pha cho nghiên cứu ngắn mạch - Miêu tả mỗi máy phát bằng điện áp không đổi phía sau máy phát là điện kháng quá độ hay siêu quá độ. - Không chú ý đến nhánh mạch rẽ, tải hay đường dây ... - Coi tất cả các máy biến áp như là một cuộn dây không đáng kể. Trong nghiên cứu ngắn mạch, đặc biệt với hệ thống điện cao áp, có thể miêu tả tổng trở máy biến áp và đường dây truyền tải như 1 số thực bằng đúng điện kháng của nó. 7.2.2. Dòng và áp ngắn mạch. Dùng ma trận tổng trở nút cung cấp những thuận lợi cho việc tính toán dòng và áp khi ta xem đất là điểm qui chiếu. Một điều thuận lợi riêng là hình thành ma trận tổng trở nút, các thành phần của ma trận có thể tính toán trực tiếp dòng và áp ứng với mỗi vị trí và dạng ngắn mạch. Hệ thống miêu tả với điểm ngắn mạch tại nút p trình bày trong hình 7.3. ở đây ta sử dụng định lý Thevenin, giá trị tổng trở riêng được miêu tả bằng ma trận tổng trở nút có tính đến điện kháng máy phát và giá trị điện áp mạch hở được biểu diễn bởi điện áp nút trước ngắn mạch. Phương trình đặc tính của hệ thống trong lúc sự cố. (7.1) cba FNuïtcbaNuïtcbaNuïtcba FNuït IZEE ,, )(,,,, )0(,, )( . rrr −= Giá trị ẩn của vectơ điện áp là: GIẢI TÍCH MẠNG Trang 93 cba iE ,, )0( cba FpI ,, )( M Ma trận tổng trở nút (hệ thống truyền tải và điện kháng máy phát) M Ngắn mạch i p cba pE ,, )0( cba FiE ,, )( cba FpE ,, )( Hình 7.3 : Giới thiệu hệ thống điện 3 pha với ngắn mạch tại nút p ......... ......... cba FnE ,, )( cba FpE ,, )( cba FE ,, )(1 =cba FNuïtE ,, )( r Với : : Các thành phần là các vectơ điện áp 3 pha cba FNuïtE ,, )( r cba FiE ,, )( r i = 1, 2, 3, ...., n Các giá trị vectơ điện áp đã biết trước lúc ngắn mạch là: ......... ......... cba nE ,, )0( cba pE ,, )0( cbaE ,, )0(1 =cbaNuïtE ,, )0( r GIẢI TÍCH MẠNG Trang 94 Giá trị ẩn vectơ dòng điện lúc ngắn mạch tại nút p là: cba FpI ,, )( ......... ......... 0 0 0 0 =cba FNuïtI ,, )( r Ma trận tổng trở nút 3 pha là: cbaZ ,,11 cba nZ ,, 1 cba pZ ,, 1 cba pZ ,, 1 cba ppZ ,, cbapnZ ,, cba nZ ,, 1 cba npZ ,, cbannZ ,, ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... =cbaNuïtZ ,, Trong đó các thành phần của ma trận là ma trận có kích thước 3x3. Phương trình (7.1) có thể viết lại như sau: cba NuïtZ ,, cba FpcbapcbacbaF IZEE ,, )(,,1,, )0(1,, )(1 .−= cba Fpcbapcbacba F IZEE ,, )(,,2,, )0(2,, )(2 .−= ........................................ (7.2) cba Fpcbappcbapcba Fp IZEE ,, )(,,,, )0(,, )( .−= ......................................... cba Fpcbanpcbancba Fn IZEE ,, )(,,,, )0(,, )( .−= Vectơ điện áp 3 pha lúc ngắn mạch tại nút p theo hình 7.3 là: (7.3) cba FpcbaFcba Fp IZE ,, )(,,,, )( .= Trong đó: là ma trận tổng trở 3 pha lúc ngắn mạch. Ma trận kích thước 3x3 có các thành phần phụ thuộc vào dạng và tổng trở ngắn mạch. Thế phương trình (7.3) với vào trong phương trình (7.2) ta có. cba FZ ,, cba FpE ,, )( (7.4) ( ) cba Fpcbappcbapcba FpcbaF IZEIZ ,, )(,,,, )0(,,,, .. −= Từ phương trình (7.4) ta thu đuợc cba FpI ,, )( (7.5) cbapcbappcbaFcba Fp EZZI ,, )0(1,,,,,, )( )( −+= Thay vào trong phương trình (7.3) điện áp 3 pha lúc ngắn mạch tại nút p như sau. cba FpI ,, )( GIẢI TÍCH MẠNG Trang 95 (7.6) cbapcbappcbaFcbaFcba Fp EZZZE ,, )0(1,,,,,,,, )( )( −+= Tương tự điện áp 3 pha tại các điểm khác p có thể thu được bằng sự thay thế vào trong phương trình (7.5) ta có: cba FpI ,, )( (7.7) piEZZZEE cbapcbappcbaFcbaipcbaicbaFi ≠+−= − ,, )0(1,,,,,,,, )0(,, )( )( Đây là cách biểu diễn thông dụng các tham số dòng ngắn mạch trong hình thức tổng trở, dòng 3 pha ngắn mạch tại nút p là: (7.8) cba FpcbaFÌ cba Fp EYI ,, )( ,,,, )( .= Trong đó là ma trận tổng dẫn lúc ngắn mạch. Thay từ phương trình (7.8) vào phương trình (7.2) trở thành. cba FÌY ,, cba FpI ,, )( (7.9) cba FpcbaFcbappcbapcba Fp EYZEE ,, )(,,,,,, )0(,, )( ..−= Từ phương trình (7.9) rút ta có. cba FpE ,, )( (7.10) cbapcbaFcbappcba Fp EYZUE ,, )0(1,,,,,, )( )( −+= Thế vào trong phương trình (7.8) dòng ngắn mạch 3 pha tại nút p là: cba FpE ,, )( (7.11) cbapcbaFcbappcbaFcba Fp EYZUYI ,, )0(1,,,,,,,, )( )( −+= Tương tự điện áp 3 pha tại các nút khác p có thể thu được bằng cách thay thế từ phương trình (7.11). cba FpI ,, )( (7.12) piEYZUYZEE cbapcbaFcbappcbaFcbaipcbaicbaFi ≠+−= − ,, )0(1,,,,,,,,,, )0(,, )( )( Dòng ngắn mạch qua mỗi nhánh của mạng có thể được tính với điện áp nút thu được từ phương trình (7.6) và (7.7) hay từ phương trình (7.10) và (7.12). Dòng điện qua mỗi nhánh trong mạng là: [ ] cbaFcbacbaF vyi ,, )(,,,,)( =r Trong đó thành phần của vectơ dòng điện là: c Fiji )( b Fiji )( a Fiji )( =cba Fiji ,, )( Các thành phần của vectơ điện áp là: =cba Fijv ,, )( c Fijv )( b Fijv )( a Fijv )( Các thành phần của ma trận tổng trở gốc là: ca klijy , cb klijy , cc klijy , ba klijy , bb klijy , bc klijy , ab klijy , ac klijy , aa klijy , =cbaklijy ,,, GIẢI TÍCH MẠNG Trang 96 Với là tổng dẫn tương hỗ giữa nhánh i-j của pha b và nhánh k-l của pha c. Dòng điện 3 pha trong nhánh i-j có thể thu được từ. bc klijy , cba Frscba rsijcba Fij vyi ,, )(,,,,, )( . rr= (7.13) Với r - s liên hệ với nhánh i-j như những phần tử tương hỗ nối đến nhánh i-j. (7.14) cba Fscba Frcba Frs EEv ,, )(,, )(,, )( rrr −= Phương trình (7.13) trở thành )( ,, )(,, )(,,,,, )( cba Fscba Frcba rsijcba Fij EEyi rrr −= Những công thức trên có thể áp dụng để tính dòng và áp cho cả dạng ngắn mạch 3 pha đối xứng hay không đối xứng. 7.3. TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH CHO MẠNG 3 PHA ĐỐI XỨNG BẰNG CÁCH DÙNG ZNÚT 7.3.1. Biến đổi thành dạng đối xứng. Những công thức đã đưa ra ở trên để tính toán dòng và áp lúc ngắn mạch có thể đơn giản hóa đối với một hệ 3 pha đối xứng bằng cách dùng các thành phần đối xứng. Ma trận tổng trở gốc đối với một thành phần 3 pha đối xứng ổn định là: m pqz m pqz s pqz m pqz s pqz m pqz m pqz m pqz s pqz =cbapqz ,, Ma trận có thể trở thành ma trận đường chéo bằng phép biến đổi ta được. scbapqts TzT ,,* )( )2( pqz )1( pqz )0( pqz =2,1,0pqz Với , và thứ tự là tổng trở thứ tự không, thứ tự thuận, thứ tự nghịch. Đối với hệ 3 pha đối xứng tổng trở thứ tự thuận và thứ tự nghịch bằng nhau )0( pqz )1( pqz )2( pqz Tương tự, trong ma trận tổng dẫn gốc và trong ma trận tổng trở nút có thể đường chéo hóa bằng phép biến đổi ma trận T cba klijy ,, , cba ijz ,, s thu được tương ứng. )2( ijz )1( ijz )0( ijz )2( ,klijy )1( ,klijy )0( ,klijy và =2,1,0,klijy =2,1,0ijz Thông thường xem tất cả các điện áp nút trước lúc ngắn mạch là bằng nhau về độ lớn và góc lệch pha. Xem độ lớn điện áp pha đất Ei(0) bằng một đơn vị. Lúc đó điện áp nút thứ i trước ngắn mạch có dạng. GIẢI TÍCH MẠNG Ngắn mạch ba pha Một pha chạm đất Hai pha chạm đất a a Các thành phần ba pha Dạng ngắn mạch cba FZ ,, cbaFY ,, zg zg zF zF zF zF c b a Ba pha chạm đất y0 - yF y0 - yF y0 + 2yF z0 z0 zF + z0 z0 zF + z0 z0 z0 3 1 y0 + 2yF y0 + 2yF y0 - yF y0 - yF y0 - yF y0 - yF Với 0 0 3 1 zz y F + = Không xác định 2 3 Fy 2 -1 -1 2 -1 -1 -1 2 -1 zF 0 0 8 0 0 0 8 0 yF 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 1 -1 2 Fy 8 0 0 zF + z0 z0 0 0 zF + z0 z0 Không xác định 0 0 0 0 2 0 2 zzz zz FF F + + 0 2 0 2 zzz z FF + − 0 0 0 2 0 2 zzz zz FF F + + 0 2 0 2 zzz z FF + − zF zF b a b b a c c c c zF zF zF zF zF b z0 zF + z0 Ngắn mạch hai pha Bảng 7.1 : Ma trận tổng trở và tổng dẫn ngắn mạch Trang 97 GIẢI TÍCH MẠNG Trang 98 =cbaiE ,, )0( 1 a2 a Dạng ngắn mạch 2,1,0 FZ 2,1,0 FY zg zg zF zF zF zF zF zF zF c c c b a c b a Ba pha chạm đất Ngắn mạch ba pha c Một pha chạm đất Hai pha chạm đ zF zF b a b a b a ất Không xác định 2 2zF + 3z0 -(zF + 3z0) yF zF -zF -1 1 -1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 8 0 0 0 0 0 zF 0 1 0 0 0 1 0 0 0 Không xác định 2 1 1 1 0 0 0 2 Fy Không xác định 2zF -zF -zF -zF 2zF + 3z0 -(zF + 3z0) )2(3 1 0 2 zzz FF + 3 Fy Với 0 0 3 1 zz y F + = 0 0 0 0 00 yF yF yF 0 0 zF 0zF 0 0 0zF + 3z0 zF Ngắn mạch hai pha Các thành phần đối xứng GIẢI TÍCH MẠNG Trang 99 Biến đổi về các thành phần dạng đối xứng là: cbaits ET ,, )0(* )(=cb,a,i(0)E Thì 0 3 0 =cbaiE ,, )0( Ma trận tổng trở ngắn mạch có thể được biến đổi bởi ma trận TcbaFZ ,, s vào trong ma trận . Ma trận thu được là ma trận đường chéo nếu dạng ngắn mạch là đối xứng. Ma trận tổng trở và tổng dẫn lúc ngắn mạch coi như 3 pha đối xứng của nhiều dạng ngắn mạch trình bày trong bảng 7.1. 2,1,0 FZ Tương tự các phương trình tính toán dòng và áp ngắn mạch có thể được viết dưới dạng các thành phần đối xứng. Dòng điện tại nút ngắn mạch p là: (7.15) 2,1,0 )0(12,1,02,1,02,1,0 )( )( pppFFp EZZI −+= Hay (7.16) 2,1,0 )0(12,1,02,1,02,1,02,1,0 )( )( pFppFFp EYZUYI −+= Điện áp ngắn mạch tại nút p là: (7.17) 2,1,0 )0(12,1,02,1,02,1,02,1,0 )( )( pppFFFp EZZZE −+= Hay (7.18) 2,1,0 )0(12,1,02,1,02,1,0 )( )( pFppFp EYZUE −+= Điện áp tại các nút khác p là: (7.19) 2,1,0 )0(12,1,02,1,02,1,02,1,0 )0(2,1,0 )( )( pppFipiFi EZZZEE −+−= Hay (7.20) 2,1,0 )0(12,1,02,1,02,1,02,1,02,1,0 )0(2,1,0 )( )( pFppFipiFi EYZUYZEE −+−= Dòng ngắn mạch 3 pha trong nhánh i-j là: (7.21) )( 2,1,0 )(2,1,0 )(2,1,0,2,1,0 )( FsFrrsijFij EEyi rrr −= 7.3.2. Ngắn mạch 3 pha chạm đất. Dòng và áp trong ngắn mạch 3 pha chạm đất có thể có được bằng cách thay ma trận tổng trở tương ứng bằng các số hạng của những thành phần đối xứng vào trong phương trình (7.15), (7.17) và (7.19). Ở hai phía của phương trình thu được ta có thể nhân trước nó với Ts để nhận được các công thức tương ứng với các thành phần pha. Ma trận tổng trở ngắn mạch cho hệ thống 3 pha chạm đất là: Dòng 3 pha và điện áp nút ngắn mạch thu được bằng sự thay thế từ phương trình (7.22) vào trong phương trình (7.15), (7.17) và (7.19). Dòng ngắn mạch tại nút p là: 2,1,0 FZ zF zF zF + 3z0 (7.22) =2,1,0Fz )0( )(FpI )1( )(FpI )2( )(FpI = -1 )2( ppF Zz + )1( ppF Zz + )0( 03 ppF Zzz ++ 0 3 0 GIẢI TÍCH MẠNG Trang 100 Biến đổi ta có: 0 0 )1( 3 ppF Zz + )2( )(FpI )1( )(FpI )0( )(FpI (7.23) = Các thành phần pha của dòng ngắn mạch tại nút p có thể thu được bằng cách nhân cả hai vế của phương trình (7.23) với Ts. Ta có dòng thu được: a a2 1 a FpI )( b FpI )( c FpI )( )1( 1 ppF Zz + = Điện áp ngắn mạch tại nút p là: 0 )1( 3 ppF Zz + 0 zF + 3z0 zF zF )0( )(FpE )1( )(FpE )2( )(FpE = Biến đổi đơn giản ta có: 0 )1( 3 ppF Zz + 0 )0( )(FpE )1( )(FpE )2( )(FpE = Các thành phần pha của điện áp ngắn mạch là: a a2 1 a FpE )( b FpE )( c FpE )( )1( ppF F Zz z + = Điện áp tại các nút khác p là: 0 3 0 0 0 )1( 3 ppF Zz + )2( ipz )1( ipz )0( ipz )0( )(FiE )1( )(FiE )2( )(FiE = - GIẢI TÍCH MẠNG Trang 101 Biến đổi đơn giản ta có: 3 0 0 )1( )1( 1 ppF ip Zz Z +− )0( )(FiE )1( )(FiE )2( )(FiE = Các thành phần pha là: 1 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +− )1( )1( 1 ppF ip Zz Z a 2 a a FiE )( b FiE )( c FiE )( = Các công thức thu được trong các mục trên tổng kết trong bảng 7.2. Điện áp của một pha đối với đất xem như một đơn vị so với gốc qui chiếu. Công thức trong bảng 7.2 bao gồm điện áp một pha đối với đất, nó có thể xem như một đơn vị. Dòng lúc ngắn mạch trong các nhánh của mạng điện có thể tính toán từ công thức (7.21). Từ đây các giá trị điện áp thứ tự không, thứ tự nghịch bằng 0 đối với ngắn mạch 3 pha mà ở đó không có tương hổ thành phần thứ tự thuận của hệ là , ngoại trừ rs = ij, phương trình (7.21) trở thành. 0)1( , =rsijy 0 0 )( )1( )( 1 )( )1( , FjFiijij EEy − )2( )(FijI )1( )(FijI )0( )(FijI = Các thành phần pha là: 1 a2 a a Fiji )( b Fiji )( c Fiji )( )( 3 1 )1( )( )1( )( )1( , FjFiijij EEy − =